液壓系統(tǒng)脈動(dòng)衰減器的特性分析.pdf

1、液壓系統(tǒng)向高壓、大流量發(fā)展，其噪聲與壓力脈動(dòng)越來越嚴(yán)重。減小壓力脈動(dòng)是液壓系統(tǒng)降低其振動(dòng)和噪聲的有效手段之一?？茖W(xué)家和工程師們自19世紀(jì)就開始研究流體動(dòng)力系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)，開發(fā)出多種降低壓力脈動(dòng)的裝置。然而，隨著液壓系統(tǒng)的發(fā)展，壓力脈動(dòng)衰減器向小型化、寬頻化、主動(dòng)式和集成化方向發(fā)展，同時(shí)也帶來了一些新的問題。衰減器的結(jié)構(gòu)需要改變才能同時(shí)滿足小型化和寬頻化，這時(shí)，傳統(tǒng)的分析模型已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的發(fā)展需求。
　　 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展

2、，數(shù)值分析已經(jīng)成為科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中重要的分析方法之一。CFD(Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))及可視化后處理技術(shù)是分析液壓元件中流體流動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使研究人員能夠看到在實(shí)際工作中無法觀察的現(xiàn)象。CFD技術(shù)已經(jīng)在泵、閥的性能優(yōu)化中發(fā)揮著重要的作用。將這些技術(shù)運(yùn)用于脈動(dòng)衰減器的性能分析，必能使衰減器的開發(fā)前進(jìn)一大步。因此，論文主要研究脈動(dòng)衰減器的頻率特性數(shù)值分析方法，并將其應(yīng)用到典型脈動(dòng)

3、衰減器及異形脈動(dòng)衰減器的特性分析，主要內(nèi)容如下：
　　 首先，論文詳述了脈動(dòng)衰減器頻率特性的數(shù)值計(jì)算方法。利用流體動(dòng)力學(xué)基本方程，在開源且面向?qū)ο蟮腃FD軟件OpenFOAM中對(duì)三維的管路和衰減器進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。M序列的壓力或流速信號(hào)作為輸入的脈動(dòng)信號(hào)作用于脈動(dòng)衰減器系統(tǒng)的入口邊界。提出了計(jì)算瞬態(tài)周期性邊界條件問題的穩(wěn)定判據(jù)以判斷計(jì)算是否收斂及穩(wěn)定，建立了計(jì)算流程。通過傅立葉變換及Shannon采樣定理把時(shí)域和頻域聯(lián)系起來，并使參

4、數(shù)協(xié)調(diào)以便能夠準(zhǔn)確地計(jì)算脈動(dòng)衰減器的特性。利用Holmboe和Rouleau所做的水擊實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值分析的基本模型進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)利用經(jīng)典分布參數(shù)模型對(duì)管道頻率特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果說明數(shù)值分析方法是有效的和準(zhǔn)確的。
　　 其次，討論了管道頻率特性的影響因素。通過數(shù)值模擬得出：粘度的變化對(duì)管道的共振頻率影響甚小；當(dāng)粘度降低時(shí)，共振頻率處的幅值則升高。流體中混入氣體會(huì)大大降低流體中的壓力波速，從而降低其共振頻率。平均壓力對(duì)

5、管道的頻率特性幾乎沒有影響，同時(shí)M序列壓力峰-峰值對(duì)管道頻率特性影響很小，但是峰-峰值增加會(huì)使輸出壓力和流量波動(dòng)的峰-峰值增加。平均流速也對(duì)管道頻率特性的影響甚小，而且M序列流速的峰-峰值對(duì)管道的頻率特性也幾乎沒有影響，但也會(huì)增加輸出壓力和流速的峰-峰值。減小管道直徑會(huì)小幅度降低管道的共振頻率。
　　 再次，分析了單腔(一級(jí))脈動(dòng)衰減器的特性。利用集中參數(shù)模型討論了衰減器的結(jié)構(gòu)對(duì)其頻率特性的影響。通過對(duì)不同共振腔截面形狀的衰減器

6、進(jìn)行數(shù)值分析，包括正方形、長方形及橢網(wǎng)形，可得：共振腔截面形狀對(duì)衰減器的頻率特性影響甚小。用階躍壓力信號(hào)對(duì)不同共振腔直徑的衰減器進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：共振腔直徑過小時(shí)，主管路會(huì)有過高或過低的壓力，加劇了流體脈動(dòng)；共振腔直徑過大，主管路會(huì)出現(xiàn)過低的壓力；所以，應(yīng)當(dāng)避免突變壓力沖擊。另外，對(duì)不同共振腔直徑一長度比(其容積相同)的衰減器進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：當(dāng)共振腔直徑-長度比減小時(shí)，衰減器的共振頻率在一定值以下就會(huì)逐漸降低。因此，如果使

7、用小的共振腔體積及小的直徑-長度比的衰減器，同樣可以達(dá)到與較大共振腔體積和較大直徑-長度比的衰減器的共振頻率。通過對(duì)兩個(gè)小型的衰減器進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明小的衰減器也可以達(dá)到同樣的共振頻率，但是衰減的幅度有所下降。對(duì)連接部為錐形結(jié)構(gòu)的衰減器進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明錐形頸部結(jié)構(gòu)能提高衰減器的共振頻率。對(duì)非對(duì)稱圓形和橢圓形共振腔的衰減器進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，結(jié)果表明，非對(duì)稱布置共振腔會(huì)小幅度降低衰減器的共振頻率。通過實(shí)驗(yàn)證明，衰減器對(duì)壓力脈動(dòng)的衰減是有效

8、的，同時(shí)也能夠有效地降低噪聲。
　　 第四，對(duì)多腔(多級(jí))脈動(dòng)衰減器進(jìn)行了理論分析和數(shù)值分析。利用集中參數(shù)模型推出了兩腔(二級(jí))串聯(lián)脈動(dòng)衰減器共振頻率的計(jì)算方法，與分布參數(shù)法相比誤差很小。通過對(duì)非對(duì)稱及對(duì)稱圓形共振腔的衰減器進(jìn)行計(jì)算，說明非對(duì)稱結(jié)構(gòu)也可以降低二級(jí)脈動(dòng)衰減器的固有頻率。三腔串聯(lián)衰減器有三個(gè)共振頻率，但第三共振頻率處的幅值小于0 dB，說明在這個(gè)頻率上幾乎沒有衰減效果。然而，并聯(lián)衰減器的總衰減特性是單個(gè)衰減器單獨(dú)作用

9、時(shí)衰減特性的線性組合，所以并聯(lián)衰減器的性能可擴(kuò)展性強(qiáng)而且在多個(gè)頻率上的衰減效果明顯。
　　 最后，討論了異形結(jié)構(gòu)脈動(dòng)衰減器的特性。對(duì)異形衰減器的分析說明，CFD分析方法具有很好的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。對(duì)螺旋形結(jié)構(gòu)和之字形結(jié)構(gòu)的分析說明，異形結(jié)構(gòu)非常利于衰減器的小型化、集成化設(shè)計(jì)。對(duì)附加連接管道的之字形結(jié)構(gòu)和多管道并聯(lián)結(jié)構(gòu)脈動(dòng)衰減器的分析說明，在衰減器的管道上添加輔助連接管道，可改善衰減器的頻率特性、實(shí)現(xiàn)衰減器的寬頻化。這些分析表明異形結(jié)構(gòu)